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羅娟1，2，侯書林1，趙立欣2，田宜水2，孟海波2
（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.農業部規劃設計研究院，北京100125）
摘要：生物質顆粒燃料是一種優質的清潔燃料，可替代煤炭等化石燃料，廣泛應用于炊事、供暖等民用領域和鍋爐燃燒、發電等工業領域。文章簡述了生物質顆粒燃料的燃燒特性，分析了國內外生物質顆粒燃料燃燒設備的研究進展及應用現狀，對3種類型的生物質顆粒燃料燃燒器、進料系統、控制系統、清灰裝置以及污染物排放等進行比較，最后指出了目前燃燒器存在的主要問題，并提出了我國生物質顆粒燃料燃燒設備的發展方向。
0引言
隨著社會經濟的發展，人類對化石能源的需求日益增長，但化石燃料的大量消耗導致了嚴重的環境污染。因此，尋找一種可再生的替代能源，減少CO2等溫室氣體的排放，已成為世界各國關注的焦點。
生物質能是一種可再生能源，其消耗量僅次于石油、煤炭和天然氣，居第4位。生物質能具有可再生和環境友好的雙重屬性，近年來生物質能的開發和利用越來越受到人們的重視。我國的生物質能資源十分豐富，每年農業廢棄物的產量約7.15億t，其中農作物秸稈占70%。但我國大多數農民仍以直接燃燒的方式利用秸稈、薪柴等資源，秸稈的揮發分含量較高，燃燒時會因助燃空氣不足而形成黑煙，既浪費資源，又污染環境，嚴重損害了人們的身心健康。
生物質固體成型燃料是在一定溫度和壓力作用下，利用木質素充當粘合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。生物質成型燃料的能量密度與中質煙煤相當；基本實現CO2零排放，NOx和SO2的排放量遠小于煤，顆粒物排放量降低；燃燒特性明顯得到改善，利用效率顯著提高。因此，生物質固體成型燃料技術是實現生物質高效、清潔利用的有效途徑之一。生物質固體成型燃料主要分為顆粒、塊狀和棒狀3種形式，其中顆粒燃料具有流動性強、燃燒效率高等優點，因此得到人們的廣泛關注。2005年，世界生物質顆粒燃料產量已經超過了420萬t，其中，美洲地區產量為110萬t；歐洲地區產量為300萬t，現有大型生物質固體燃料廠285個。瑞典生物質顆粒燃料年產量約為141.1萬t，年消費量約為171.5萬t，位居世界首位。我國生物質顆粒燃料及其燃燒設備的研究剛剛起步，研制方便、環保、高效、節能的生物質顆粒燃料燃燒設備是目前科研人員面臨的主要課題。
1生物質顆粒燃料的特性
生物質顆粒燃料通常是指直徑小于25mm的圓柱體狀固體成型燃料，顆粒密度較壓縮前明顯增大，可達1.2~1.4kg/m3；體積縮小75%～90%，便于貯存和運輸；尺寸均勻，流動性好，便于實現自動化傳輸和燃燒。
生物質顆粒燃料的揮發分含量很高，通常為60%~70%，遠高于煤,故其點火性能和燃燒性能都比煤好，屬于高活性燃料；碳含量為35%~42%，遠低于煤，這使得其熱值比煤低；N含量為0.5%~3%，S含量僅為0.1%~0.5%，燃燒時NOx排放量僅為煤的1/5，SO2的排放量僅為煤的1/10，CO2的凈排放量基本為0；與原生物質相比，生物質顆粒燃料燃燒時間明顯延長。由此可見，生物質顆粒燃料是一種優質、清潔、高效的燃料，其部分特性參數見表1。
2生物質顆粒燃料燃燒設備研究進展
20世紀30年代，國外開始發展生物質成型燃料技術，現已達到商業化應用程度，實現了規模化產業經營。目前，世界各國研究的重點逐漸集中在成型燃料燃燒設備的研究開發上。
2.1國內外研究進展
20世紀50年代，日本研制出棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備。20世紀70年代后期，美國出現了木質顆粒燃料及其燃燒設備，隨后西歐一些國家，如瑞典、芬蘭、丹麥等研制出顆粒成型機及配套的燃燒設備。20世紀80年代，亞洲一些國家，如泰國、菲律賓等也相繼研制出相關的燃燒設備。目前，日本、美國及歐洲一些國家的生物質成型燃料燃燒設備已經定型，并實現了產業化發展，在供熱、供暖、干燥和發電等領域得到廣泛應用。
生物質顆粒燃料燃燒器的應用始于20世紀80年代，但是直到90年代后期才在瑞典、丹麥和奧地利等國家獲得一定的市場份額，目前在德國等國家也受到了很大關注，其中木質顆粒燃料燃燒器制造比較規范，具有加工工藝合理、專業化程度高、操作自動化程度高、熱效率高、排煙污染小等優點。瑞典等國家的政府、設備制造商和國家檢測研究所在研發顆粒燃燒器的過程中，設定了自愿認證系統，為了保證產品質量，銷售的燃燒器必須符合一系列技術指標的要求以及嚴格的排放標準。奧地利還形成了生物質顆粒燃料燃燒設備生產、供應一體化市場和產品質量標準體系。
我國從20世紀80年代開始研究生物質成型燃料技術，但有關成型燃料燃燒特性及燃燒設備的理論研究和應用研究還較少。目前國內也引進一些以生物質顆粒為燃料的燃燒器，但這些燃燒器的燃料適應范圍很窄，只適用于木質顆粒，改燃秸稈類顆粒時易出現結渣、堿金屬及氯腐蝕、設備內飛灰嚴重等問題，而且這些燃燒器結構復雜、能耗高、價格昂貴，不適合我國國情，因此沒有得到大面積推廣。專門燃用秸稈類顆粒燃料的高效燃燒器的研究未見有報道。
2.2燃燒設備的應用
2.2.1炊事、取暖等民用設備
目前，在歐美等國家，家用生物質顆粒燃料（主要為木質顆粒燃料）及配套的高效燃燒設備已經非常普及，顆粒燃料已成為許多家庭首選的生活用燃料。家庭式供熱鍋爐燃用顆粒燃料的熱效率可達80%，住宅區、學校等供熱系統中的高效節能燃燒鍋爐的熱效率可達到90%以上。
目前，我國已有近2億農戶使用省柴節煤爐灶，其熱效率約為25%，與傳統爐灶相比，具有使用安全、方便、衛生的優點。同時，不少研發機構已開始研發燃用生物質顆粒燃料的供暖設備，如北京萬發爐業中心研發的燃用秸稈類顆粒燃料的暖風壁爐、水暖爐、炊事爐等一系列爐具，吉林華光生態工程技術研究所研發的暖風壁爐和炊事采暖兩用爐等。
2.2.2生物質發電設備
生物質發電技術的研究始于20世紀70年代末。生物質發電技術主要分為生物質直接燃燒發電、生物質與煤混合燃燒發電和生物質氣化發電3種技術。
目前，生物質發電技術在發達國家已受到廣泛重視，其技術及相關設備都已比較成熟。奧地利成功建立了木材剩余物的區域供電站；丹麥BWE公司研發的秸稈燃燒發電機組已在丹麥、西班牙、瑞典、法國等國投產運行多年；美國生物質發電設備的裝機容量已達10.5GW，其中70%采用生物質與煤的混合燃燒工藝，單機容量為10～30MW，預計到2015年裝機容量將達16.3GW。
1999年，我國的電力生產總量為12600億kWh，年人均發電量不到1000kWh，年人均生活用電只有110kWh左右。若將目前農林廢棄物總量的50%作為電站燃料，可發電4000億kWh，占目前我國總耗電量的30%左右。與直接燃燒和氣化燃燒發電相比，生物質顆粒燃料與煤混燒發電具有技術成熟、熱能利用率高、設備投資少、燃料貯運方便等優勢。國外運行經驗表明，生物質顆粒燃料發電具有利用規模大、成本低等優點，在我國有很大的發展潛力。
2.2.3其它工業利用
生物質顆粒燃料的另一大用途是作為工業大型供熱、干燥等領域的燃料，工業燃燒技術一般分為固定床、流化床和懸浮燃燒3種形式。
目前，發達國家如英國、法國、意大利等采用大型鍋爐集中處理農作物秸稈用于供熱、干燥等工業領域，其技術比較成熟，已形成自動化程度較高的大規模工業化生產。
在我國，哈爾濱工業大學較早地進行了生物質燃料的流化床燃燒技術研究，并先后與無錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠合作開發了不同規模、不同爐型的生物質燃燒鍋爐。此外，河南農業大學研制出雙層爐排生物質成型燃料鍋爐，浙江大學研制出燃用生物質秸稈顆粒燃料的雙膽反燒鍋爐等。
3生物質顆粒燃料燃燒器
使用高效燃燒設備可以明顯提高生物質顆粒燃料燃燒效率。生物質顆粒燃料尺寸較為單一、均勻，因此可以實現自動進料連續燃燒，燃燒效率通常能達到86%以上。通過與不同用途的設備（如鍋爐、壁爐、熱風爐等）配套使用，燃燒器可以應用到取暖、炊事、干燥等各個領域。圖1為典型的顆粒燃料燃燒系統示意圖。
3.1燃燒器分類
生物質顆粒燃料燃燒器的形式較多，分類方式也有多種。根據喂料方式的不同，可將燃燒器分為3種類型：上進料式、底部進料式和水平進料式。
3.1.1上進料式
上進料式燃燒器使用最為廣泛，此類燃燒器通常用于鍋爐或爐具中。絕大多數上進料式燃燒設備內壁上會設有落料通道（圖2，表2），顆粒燃料由此落入燃燒室進行燃燒；一次空氣和自動點火所需的熱空氣由燃燒室底部進入，二次空氣由燃燒室壁上的小孔進入。常采用鼓風機提供助燃空氣并促進爐具與周圍空氣的熱交換。為簡化清灰過程，將爐排設計為手動或自動移動式，以便灰分隨爐排移動落到集灰裝置中。
3.1.2底部進料式
底部進料式燃燒器最初用于木片的燃燒，后來逐漸發展用于顆粒燃料。顆粒燃料在進料裝置的作用下，由燃燒器底部的管道進入燃燒床進行燃燒。一次空氣由進料裝置或燃燒床上的小孔進入燃燒室，二次空氣由燃燒床上方的氣孔進入燃燒室。此類燃燒器不需要單獨的集灰裝置，燃燒后的灰分逐漸被顆粒燃料擠落入下方的集灰裝置或灰分傳送系統中。
3.1.3水平進料式
水平進料式燃燒器的原理與底部進料式燃燒器基本相同，唯一的區別在于燃燒床的形式不同，另外水平進料式常需要額外的集灰裝置。
3.2進料系統
在多數情況下，燃燒器與料倉是分置的，因此在燃燒器和料倉之間須要設置進料系統。進料系統的主要功能是將燃料輸送到燃燒室，進料速度主要與熱量需求的多少有關。進料方式很多，常見的主要有螺旋輸送和氣流輸送。
3.2.1螺旋輸送機
螺旋輸送機是最常見的進料裝置，它具有結構簡單，體積小而緊湊，操作管理方便，使用安全可靠，密閉性好，價格相對低廉等優點，適于短距離輸送，但其消耗功率相對較高，對燃料中的金屬和礦物雜質等比較敏感，要求輸送的生物質顆粒燃料相對均勻、清潔且符合規定的粒度。
3.2.2氣流輸送系統
當燃燒器與料倉的距離較大時，建議采用氣流輸送系統。此輸送方式類似于真空吸塵器，顆粒在氣動裝置的強大吸力下，沿著管道進入燃燒器的燃燒室中。氣流輸送系統可實現小顆粒及小塊狀物料的長距離連續輸送，能進行水平、傾斜輸送，設備結構簡單、密封性能好、安裝維修方便；其缺點是不易獲得均勻恒定的輸送速度，排氣噪音較大，價格相對較高。
3.3燃燒器的控制
3.3.1點火
點火方式主要有2種：一是采用電子點火裝置，二是使用引燃火焰。電子點火比引燃火焰的污染物排放量低，控制簡單。
3.3.2運行
為了保證燃燒器清潔排放，應盡可能避免多次啟動或使用引燃火焰，同時還須保證穩定的燃燒條件。設計良好的燃燒器在輸出額定熱量時效率能達到90%以上，當在低負荷下運行或負荷發生變化時，效率會有所下降，但一般也在86%以上。
燃燒器可根據熱量需求來精確控制進料量，通過調整助燃空氣量來控制燃燒過程。根據熱量需求，通常將顆粒燃燒器設定幾個不同的固定熱輸出檔，當輸出熱量低于設定值時，燃燒器會自動啟動運行，直至達到設定的熱量輸出值。常采用溫度傳感器來監控熱量輸出，助燃空氣由鼓風機供給，通過λ傳感器來監測和控制助燃空氣供給量，保證高效清潔燃燒。小型燃燒設備常通過開、關自動調溫器來控制熱量輸出，大型燃燒設備則使用復雜的控制方式來控制熱量輸出。
燃燒器的運行模式主要分為兩類：一類以瑞典為代表，燃燒器為一個獨立的單元，常與標準鍋爐匹配，進料、點火和燃燒均為自動化，但其熱量輸出不可控或只有2種選擇，即全輸出（100%）和半輸出（50%）；另一類以奧地利為代表，進料、點火、燃燒、清灰均為自動化，其熱量輸出可在某一范圍內自行調節（如30%~100%），使用極為方便，但價格也相對較高，要比前者高出50%左右。
3.4清灰裝置
清灰裝置的除灰方式分為機械刮除式和機械振動式，也有其它的方式。有些燃燒器中還配有灰分壓縮機，以滿足長時間自動運行的需求。設計良好的燃燒器所需的維護和保養很少，目前大多數燃燒器的清灰裝置均能滿足燃燒器運行一周清灰一次的要求。
3.5污染物排放
生物質顆粒燃燒器的煙氣中污染物主要包括不完全燃燒顆粒CxHy和有害氣體CO，它們主要是由燃料不充分燃燒產生的，也與顆粒燃料的組成有關。燃燒器的煙氣排放量非常低，尤其是配有進風及排風裝置的燃燒器。由于生物質顆粒燃料中N，S含量比較低，因此其NOx，SOx排放量比煤低許多。
4存在的問題
雖然我國的生物質成型燃料產業發展很快，成型燃料技術已相對比較成熟，但相關的燃燒設備尚處于研究開發階段，特別是秸稈類顆粒燃料燃燒器，目前的產品規格單一，應用范圍有限，存在許多亟待解決的問題。
4.1灰分沉積率高，結渣現象嚴重
秸稈類生物質中Si含量較高，秸稈灰的變形溫度通常為750~1000℃，秸稈類顆粒燃料的灰分沉積速度一般都高于木質顆粒。因此，設計生物質顆粒燃燒器時要考慮清灰問題，此外，積灰中通常存在大量堿性成分和氯化物，會產生結垢、結渣等危害，結渣不僅影響燃燒設備的熱性能，甚至會危及燃燒設備的安全。
宋鴻偉分析了生物質燃燒過程中的積灰結渣特性，認為K，Cl，S3種元素對積灰結渣特性有很大影響。王淮東利用專用爐灶研究了成型燃料的結渣特性，得出了結渣率隨著溫度升高、爐膛增大、燃料層厚度增加會有不同程度增加的結論。ShaojunXiong的研究表明，直接燃燒秸稈顆粒燃料時結渣很嚴重，灰渣大小約為網球直徑（6.35～6.67cm）的1～2倍，當在燃料中添加高嶺土、方解石等添加劑時，能有效降低秸稈顆粒的結渣趨勢。
4.2氯腐蝕
秸稈類生物質燃料中堿金屬、氯的含量比較高，在燃燒過程中Cl幾乎完全蒸發，形成HCl，Cl2和堿金屬氯化物。隨著煙氣溫度的降低，堿和堿金屬氯化物冷凝在飛灰顆粒或換熱器表面上，與煙氣反應形成硫酸鹽，并釋放出氯化物。氯化物具有較強的氧化能力，加快高溫腐蝕速率和金屬損耗速率，降低傳熱效率，甚至會使局部傳熱表面喪失傳熱性能。因此，秸稈類顆粒燃料比木質顆粒燃料更易損壞設備，對設備的材質要求更嚴格。
4.3自動化程度低
目前國內的燃燒設備一般都采用人工或半自動進料系統，整套設備的自動化程度不高，不利于顆粒燃料的大規模推廣和應用。許多小型設備采用自然通風，因此常存在不完全燃燒產生的污染物排放量過高等問題。
5結束語
①國外生物質固體成型燃料燃燒設備污染物排放量低、熱效率高、自動化程度高，已在供暖、發電等多個領域廣泛應用。我國生物質固體成型燃料燃燒設備目前正處于研究開發階段，存在積灰結渣嚴重、燃料適應性差、污染物排放高、自動化程度低等問題。
②隨著我國生物質顆粒燃料需求量的大幅增加及成型技術的日益成熟，生物質顆粒燃料將占有越來越大的市場份額，因此，須加緊研究與之相配套的、適應我國國情的秸稈類顆粒燃料燃燒設備，并進一步推廣普及。
③針對現有設備積灰結渣嚴重等問題，可借鑒國外先進的燃燒技術，對燃燒設備的關鍵部件進行結構優化，降低積灰結渣程度，提高燃料適應性。
④應用先進的污染物控制技術，監控燃燒設備內部溫度、氣體濃度等變化，減少污染物排放，提高燃燒效率。
⑤設計自動進料系統，利用自動控制器件對設備的熱量輸出進行控制，滿足用戶需求，提高設備的自動化程度。 |
